Travail des métaux

Comment choisir la bonne machine de découpe à commande numérique ?

Au cours des 14 dernières années, j’ai eu l’occasion de visiter plusieurs fabricants et utilisateurs de systèmes de découpe. Que ce soit en Amérique du Nord, en Europe de l’Ouest, en Afrique ou au Moyen-Orient, j’ai pu constater que les problèmes étaient les mêmes. Il faut choisir premièrement la bonne technologie et ensuite, parmi toutes les machines offertes, laquelle répondra le mieux aux besoins. Ce qui ne facilite pas les choses, c’est qu’il faut trouver à qui faire confiance, sachant que toutes les industries ont la meilleure machine sur le marché.

Par Jacques Bélanger

Il s’agit d’un investissement important, souvent le plus gros que certaines entreprises auront à faire durant leur vie.

L’accessibilité à l’automatisation fait que de plus en plus d’entreprises optent pour cette solution. Certaines entreprises veulent passer d’une fabrication artisanale à une production automatisée. Le défi est de taille, car il faut revoir tout le processus de fabrication partant de la conception sur ordinateur en passant par la découpe, l’assemblage jusqu’à la finition.

Bien sûr, il existe des systèmes vendus clés en main où l’intégration est plus facile. Des logiciels de CFAO dédiés, combinés à des machines adaptées, permettent de diminuer le temps de la conception et de la découpe dans des proportions qui vont parfois jusqu’à 10:1.

Dans cette première chronique, je parlerai du choix de la bonne technologie en fonction de la matière à découper.

Au cours des 15 dernières années, on a vu se développer une multitude de technologies toutes aussi sophistiquées les unes que les autres. Parmi celles-ci, les plus populaires sont: le Jet d’eau, le Fraisage, le Plasma, le Laser, le Poinçonnage, l’Électroérosion, le Fil Chaud ainsi que les systèmes à Lames.

Il y a aussi des systèmes de découpe par ultra-sons. Ces systèmes sont plus complexes et utilisés principalement pour la découpe de textiles (fibres synthétiques, fibres de carbone, de verre, d'aramide), de plastiques minces et de matériaux composites plus souvent rencontrés en aéronautique. On en retrouve également pour la découpe d’aliments. Cette technologie étant moins répandue, je n’en tiendrai pas compte dans cette chronique.

De toutes les technologies citées plus haut, il n’en existe pas une qui puisse découper parfaitement tous les matériaux. On devra donc faire des compromis en fonction de différents critères. Très souvent, on aura à choisir entre une vitesse de coupe plus élevée ou une meilleure qualité de coupe.

Le Jet d’eau est sans contredit le plus polyvalent. Certains diront que c’est le seul procédé qui permet de découper aussi bien le céleri que le granit. Le principe étant de propulser un jet d’eau chargé d’un abrasif à une pression allant jusqu’à 60 000 PSI et ce, au travers d’un orifice variant de 0.005’’ à 0.020’’ de diamètre.

Il est facile d’imaginer qu’un tel procédé puisse couper de la mousse. Ce qui est plus difficile à imaginer, c’est que ce même procédé puisse couper de l’acier ou du granit jusqu’à 4’’ d’épaisseur. Puisque le diamètre du jet est très petit, on pourrait créer des détails beaucoup plus fins que si on utilisait une fraise. C’est également un des seuls procédés qui permet de découper le verre.

Parmi les caractéristiques de la découpe au Jet d’eau, on obtiendra un fini sablé sur l’arête. Dans bien des cas, il ne s’agit pas d’un point négatif puisque l’arête ne sera pas visible. La vitesse de coupe dans des matériaux très épais sera plutôt lente. Par exemple, la vitesse d’avance pour couper de l’acier de 1’’ d’épaisseur variera entre 2.5 et 5 pouces par minute.

On aura aussi un angle de coupe qui sera plus ou moins perceptible selon l’épaisseur de la matière. Certaines machines ont un système de compensation dynamique qui permet de minimiser cet angle. Un facteur à considérer est que la présence d’eau peut être problématique avec certains matériaux poreux comme le bois, la mousse et le carton. Il faut alors prévoir une étape de séchage dans le procédé.

Le fraisage est sans doute le procédé le plus connu. Plus abordable, il est aussi plus simple de compréhension par sa similitude avec les défonceuses utilisées en menuiserie. La fraiseuse possède plusieurs avantages dont la qualité de coupe, la vitesse d’exécution, la diversité de matériaux usinables et aucune déformation ou dommage thermique. Contrairement au Jet d’eau et au Plasma, il n’y a pas de déflexion de l’outil, maintenant l’angle de coupe parfaitement perpendiculaire.

Son utilisation demande un peu plus d’expérience de l’opérateur quant au réglage des vitesses d’avance et de rotation de la broche. L’erreur que l’on rencontre le plus souvent est la crainte de régler la vitesse d’avance trop vite. Aujourd’hui, tout est prévu en fonction de l’usinage rapide. La géométrie des fraises demande un taux d’avance par dent assez important. Le réglage d’une vitesse d’avance trop basse provoque la surchauffe de l’outil et son usure prématurée.

Le fraisage est la méthode la plus utilisée pour la découpe du bois, de l’aluminium et des plastiques. Elle garantit la plus grande précision dimensionnelle. La précision de positionnement et la répétitivité se situent autour de ± 0.001’’ pour les machines de qualité.

Le plasma peut être utilisé uniquement pour les métaux. Le principe même du Plasma demande une conductivité électrique avec le matériau à découper. La qualité de coupe du plasma s’est grandement améliorée au cours des 5–6 dernières années. L’absence de scorie et la plus grande longévité des consommables sont deux autres améliorations qui rendent le Plasma plus intéressant.

La qualité de coupe de l’aluminium laisse à désirer, si on la compare avec la découpe par fraisage, à cause de la température de fusion plus basse. D’un autre côté, la vitesse de coupe étant sensiblement plus rapide que le fraisage, ce serait un choix intéressant en autant que le critère de qualité ne soit pas important.

Grâce aux derniers développements dans le plasma, il est maintenant difficile de faire la différence entre de l’acier coupé avec une source plasma «Haute-définition» et un système au Laser.

Un des inconvénients de la découpe au plasma est la soudabilité de l’acier qui peut être affectée avec certains types de source plasma. L’apport de gaz de coupe et de protection devient alors nécessaire.

La découpe avec Oxygaz est avantageuse dans l’acier de 1’’ d’épaisseur et plus. Dans de l’acier plus mince, le Plasma est supérieur en qualité et en vitesse. C’est pourquoi, ceux qui doivent couper de l’acier de plusieurs épaisseurs sur une base régulière utiliseront une machine dotée d’une tête au Plasma et d’une autre à Oxygaz.

Les films de science fiction nous ont souvent fait croire que le Laser était la solution magique qui permettait de tout découper, avec une précision de l’ordre du micron. Selon moi, il n’en est rien. Plusieurs matériaux peuvent être découpés au Laser, mais il y a quand même des contraintes. On peut découper les métaux avec le Laser, mais l’investissement initial et le coût des gaz et autres consommables rendent cette technologie assez coûteuse. Évidemment, la vitesse d’exécution vient justifier ces coûts lorsque le volume permet de rentabiliser l’investissement.

Encore une fois les Plasma «Haute-définition» peuvent constituer des alternatives très avantageuses.

Il est possible de couper certains plastiques avec le Laser. Par exemple, l’acrylique sera découpé avec un état de surface qui frise la perfection. Il est alors impératif d’avoir un système d’entraînement aux performances irréprochables. La moindre vibration dans les interpolations circulaires se transposera automatiquement par une qualité de coupe altérée.

La découpe de polycarbonate ou d’autres plastiques contenant du PVC sont à proscrire complètement à cause des gaz nocifs qui se dégageront.

La découpe par poinçon/matrice est probablement la plus ancienne et la plus rapide. Le principal inconvénient est le coût de fabrication et de remplacement de ces poinçons et matrices. Une autre contrainte est évidemment l’épaisseur maximale à couper.

Il n’en demeure pas moins que c’est la méthode idéale pour la découpe de grandes quantités, d’autant plus que l’on peut empiler les feuilles.

La découpe par grignotage peut aussi être une option à considérer. Tout comme le poinçonnage, elle est surtout utilisée pour le métal en feuille. Il n’est pas rare de rencontrer des machines dotées de ces 2 méthodes puisqu’elles sont complémentaires.

La découpe par Électroérosion est sûrement la plus lente de toutes. La précision obtenue est irréprochable et l’épaisseur maximale n’a de limite que la boîte englobante de la machine. Théoriquement, on pourrait découper un bloc d’acier de 12’’ d’épaisseur. Dans ce cas, vous auriez sûrement le temps d’aller vous servir un café.

On se sert de cette technique pour la fabrication de poinçons et différents outils en acier.

La découpe au Fil Chaud convient essentiellement à la découpe de mousses thermo-fusibles, comme le Polystyrène Expansé (EPS), Polystyrène Extrudé (XPS), Polyéthylène basse densité (EPE), Polypropylène (EPP), Bultex basse densité, Plastazote, etc…

Le principe est très simple; il s’agit de déplacer un fil tendu ou préformé au travers de blocs de mousse. Ce principe est utilisé dans l’industrie du bâtiment pour fabriquer des formes architecturales ou bas relief, qui seront recouvertes d’enduit pour y donner de la rigidité. Une multitude d’autres applications telles que l’emballage, la fabrication de moules, maquettes et décoration de cinéma ne sont que quelques exemples.

La découpe avec lame est évidemment réservée aux matériaux plus mous comme les cartons, plastiques minces, vinyle, mousse, caoutchouc et laine isolante pour les conduits de ventilation. Il existe maintenant plusieurs types de lames qui peuvent être montées sur une machine à commande numérique. Selon l’application, il peut s’agir d’une lame tangentielle fixe ou oscillante, mais aussi de lame circulaire communément appelée couteau à pizza.

Les tableaux suivants illustrent quelle technologie se prête le mieux à chaque matériau et certaines caractéristiques pour chacune d’elles.

Comme je le mentionnais au début, avant de passer au choix de machine, il est impératif de bien déterminer quel procédé sera le plus avantageux et rentable. Ma prochaine chronique portera sur les différents points à considérer pour faire ce choix.